Wpływ fali uderzeniowej na zmiany tektoniczne osadów jurajskich wokół krateru Ries studium SEM wybranych skamieniałości

Transkrypt

1 ACTA SOCIETATIS METHEORITICAE POLONORUM Rocznik Polskiego Towarzystwa Meteorytowego Vol. 7, 2016 Tomasz BRACHANIEC 1, Krzysztof SZOPA 1 Wpływ fali uderzeniowej na zmiany tektoniczne osadów jurajskich wokół krateru Ries studium SEM wybranych skamieniałości The impact shockwave interaction with Jurassic deposits related to the Ries crater SEM study of selected fossils Abstract: Upper Jurassic sediments of the Ries crater contain numerous fossils including massive and calcite belemnites, which show brittle deformations caused by impact shockwave. The structures are observed in macro and micro scale. SEM observations allowed to distinguish different tectonic forms in investigated material, what show the individualism of breccias formed during the Ries impact. Keywords: shockwave, fossils, belemnites, tectonic, Ries, Germany Du e struktury impaktowe s¹ stosunkowo rzadko spotykane. Obecnie wyró nia siê 164 kratery maj¹ce powy ej 1 km œrednicy. W zachodniej Bawarii znajduj¹ siê dwa kratery meteorytowe, powsta³e na skutek spadku komety binarnej (Artemieva i in. 2002; Stöffler i in. 2002), z których wiêkszy Ries ma ok. 24 km œrednicy, a mniejszy Steinheim ok. 3,8 km. Datowane s¹ one na 14,74±0,20 Ma (Buchner i in. 2013). Cech¹ charakterystyczn¹ towarzysz¹c¹ ka demu uderzeniu du ego cia³a kosmicznego jest wyzwolenie ogromnej temperatury i ciœnienia, które rozchodzi siê w postaci fali szokowej, powoduj¹cej szereg zmian w ska³ach otaczaj¹cych (Dence i in. 1977). Przemieszczenia zszokowanych ska³ w pobli u krateru oraz schemat przejœcia przez nie fali szokowej przedstawiono w pracach Bealsa i in. (1963) oraz Dence a (1965). W niniejszym artykule przedstawiono struktury tektoniczne zaobserwowane w skali mikro (SEM) powsta³e podczas impaktu Nördlinger Ries. Lokalizacja i geologia obszaru Kratery Ries-Steinheim po³o one s¹ w zachodniej czêœci Bawarii. Miasto Nördlingen, od którego nazwano wiêkszy krater jest po³o one ok. 6 km na po³udniowy 1 Wydzia³ Nauk o Ziemi UŒ Centrum Studiów Polarnych KNOW (Krajowy Naukowy Oœrodek Wiod¹cy); Bêdziñska 60, Sosnowiec; tbrachaniec@us.edu.pl, krzysztof.szopa@us.edu.pl

2 22 Wpływ fali uderzeniowej na zmiany tektoniczne osadów jurajskich wokół krateru Ries studium... zachód od punktu centralnego tej struktury i ok. 110 km na pó³nocny zachód od Monachium. Profile litostratygraficzne pokazane przez Graupa i in. (1981), Horna i in. (1985) oraz Stöfflera i in. (2002) wykazuj¹, e najstarszymi utworami w rejonie krateru Ries s¹ gnejsy, granity i meta- diabazy paleozoicznego i proterozoicznego pod³o a. Na nich znajduj¹ siê osady permu oraz triasu i jury g³ównie wapienie, ³upki i piaskowce. Wy ej leg³e s¹ osady trzeciorzêdu, które maj¹ ok. 50 metrów mi¹ szoœci (Horn i in. 1985). S¹ to tzw. Tertiary Obere Süâwasser Molasse, które stanowi¹ mioceñskie piaski kwarcowe z prze³awiceniami wêglanów i i³ów. Biostratygraficznie osady kraterów Ries-Steinheim s¹ identyczne, co wykazali Bolten i Müller (1969) oraz Groschopf i Reiff (1971). Prace terenowe zosta³y przeprowadzone w trzech stanowiskach z osadami górnojurajskimi: Wengenhausen, Iggenhausen oraz Oppertshofen, które znajduj¹ siê w samym kraterze lub jego bezpoœrednim pobli u (fig. 1). Fig. 1. Lokalizacja krateru Ries w zachodniej Bawarii wraz z opróbowanymi stanowiskami i ich położeniem względem struktury. Ods³oniêcie Wengenhausen le y ok. 7 km na pó³noc od miasta Nördlingen. Jego profil litologiczny ma ok. 10 m wysokoœci. W dolnej czêœci profilu daje siê zauwa yæ wystêpowanie silnie zszokowanych granitoidów oraz dajek, o mi¹ szoœci 6 m. Wy ej leg³a jest warstwa suevitu o mi¹ szoœci ok. 2 m. Najwy ej leg³¹ jednostk¹ litologiczn¹ s¹ wapienie barwy jasno kremowej zawieraj¹ce faunê bezkrêgowców. Stanowisko Iggenhausen le y ok. 15 km na po³udniowy zachód od Nördlingen. Profil litologiczny stanowi¹ to g³ównie jasne wapienie ze skamienia³oœciami, które gdzieniegdzie nosz¹ œlady intensywnego krasowienia oraz silnego zbre- ACTA SOCIETATIS METHEORITICAE POLONORUM vol. 7, 2016

3 Tomasz BRACHANIEC, Krzysztof SZOPA 23 kcjonowania (ang. bunte breccia). Wystêpowanie brekcji impaktowej jest charakterystyczne dla wszystkich ods³oniêæ w rejonie krateru Ries (fig. 2A). Charakterystyczne jest wystêpowanie soczewek ekstraklastów ró nego rodzaju wêglanów. Ostatni profil ods³aniaj¹cy siê w trzecim ods³oniêciu Oppertshofen znajduje siê ok. 20 km od Nördlingen i ma wysokoœæ ok. 20 m. Tworz¹ go szaro-kremowe wapienie, miejscami zbrekcjonowane, z du ¹ iloœci¹ fauny. Metodologia i wyniki Osady jurajskie badanego rejonu s¹ najczêœciej reprezentowane przez œrednioi grubo³awicowe wapienie sparytowe (biosparyty) z licznie zachowanymi skamienia³oœciami amonitów, belemnitów, szkar³upni, ramienionogów i ma³ y (fig. 2B). Skamienia³oœci du e, zw³aszcza takie, których elementy szkieletowe dodatkowo by³y cienkie, uleg³y czêsto ca³kowitej dezintegracji. W przypadku egzo-/endoszkieletów mniejszych zwierz¹t, ich grube œcianki lepiej przetrwa³y interakcjê z fal¹ impaktow¹. Do tej grupy skamienia³oœci nale ¹ rostra belemnitów. Znajdywane tam belemnity maj¹ wielkoœæ od kilkunastu milimetrów do kilkunastu centymetrów (fig. 2C). W wielu przypadkach dyslokacje w rostrach belemnitów s¹ obserwowane makroskopowo. W celu obserwacji struktur tektonicznych w skali mikro, Fig. 2. A Widok odsłonięcia brekcji impaktowej powstałej w skałach jurajskich z rejonu Nördlinger Ries. B Przykład zbrekcjonowanych skamieniałości (negatywy amonitów) obserwowanych w skali makroskopowej. C Wyseparowane rostra belemnitów z widocznymi dyslokacjami. ACTA SOCIETATIS METHEORITICAE POLONORUM vol. 7, 2016

4 24 Wpływ fali uderzeniowej na zmiany tektoniczne osadów jurajskich wokół krateru Ries studium... wybrane skamienia³oœci by³y obserwowane za pomoc¹ skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) Philips XL30 ESEM/TMP na Wydziale Nauk o Ziemi w Sosnowcu. Czêœæ badanych okazów znajduje siê w Muzeum Wydzia³u Nauk o Ziemi Uniwersytetu Œl¹skiego o numerze inwentarzowym WNoZ/Mt/70a-g. Podczas prac terenowych w trzech stanowiskach uda³o siê znaleÿæ kilkadziesi¹t belemnitów w ró nym stanie zachowania, z których do obserwacji SEM wybrano po trzy najbardziej reprezentatywne okazy z ka dego profilu. Makroskopowo zaobserwowano, e belemnity z ods³oniêcia Wengenhausen, które le y w kraterze, by³y bardziej mikrouskokowane, a tym samym poddane silniejszej fali impaktowej ni skamienia³oœci z dwóch pozosta³ych stanowisk. Mimo to, w obrazie BSE wszystkie rostra wykazuj¹ bardzo podobne do siebie cechy, bêd¹ce skutkiem oddzia³ywania fali szokowej. Wszystkie badane okazy by³y w wiêkszoœci przeobra one na ca³ej swej d³ugoœci. Na powierzchniach skamienia³oœci widoczne s¹ tak e zespo³y pod³u nych rys, które s¹ wynikiem pojawienia siê mikro uskoków przesuwczych lub zrzutowo-przesuwczych (fig. 3A, B). Uda³o siê równie dodatkowo zaobserwowaæ pokruszone fragmenty belemnitów (fig. 3C), które zosta³y wtórnie poddane cementacji. Cement neogeniczny jest tak e cementem wêglanowym. Czêœæ pokruszonych szkieletów skamienia³oœci pos³u y³o do utworzenia matrix. Cement skalny tak e mo e wykazywaæ struktury zwi¹zane z jego ruchami przesuwczymi (fig. 3D). Fig. 3. A, B zespoły rys ślizgowych na powierzchniach badanych belemnitów. C rozkruszone fragmenty belemnitów. D cement skalny z rysami z przesunięcia. ACTA SOCIETATIS METHEORITICAE POLONORUM vol. 7, 2016

5 Tomasz BRACHANIEC, Krzysztof SZOPA 25 Dyskusja i podsumowanie Prêdkoœæ przelotu cia³ kosmicznych przez atmosferê wynosi œrednio kilkadziesi¹t km/s, co oznacza, e impakt cia³a o œrednicy kilku kilometrów mo e w kilka sekund wyzwoliæ energiê wiêksz¹, ni wszystkie ziemskie procesy geologiczne w ci¹gu tysiêcy lat (French 1998). W chwili uderzenia energia kinetyczna przekszta³cana jest w fale wysokociœnieniowe, które rozchodz¹ siê promieniœcie od punktu uderzenia przez ska³y pod³o a z prêdkoœci¹ kilku km/s powoduj¹c ich przeobra enie (Melosh 1989). W momencie uderzenia ska³y poddawane s¹ ciœnieniu rzêdu GPa (French 1998), co oznacza, e w swych górnych granicach mo e byæ ono ok. 400 tys. razy wiêksze od atmosferycznego. Kwarc i skalenie ulegaj¹ przeobra eniu powy ej 300 C i ciœnieniu GPa (Melosh 1989). Ska³y, które znalaz³y siê poza bliskim kontaktem uderzenia komety (do ok km) uleg³y g³ównie zmianom fizycznym. Kiedy energia impaktu by³a zbyt ma³a aby topiæ ska³y, powsta³a fala sejsmiczna, która napotykaj¹ opór w oœrodku skalnym powodowa³a pojawienie siê odkszta³ceñ kruchych. Wszystkie zbadane skamienia³oœci wykazuj¹ bardzo podobne do siebie cechy zwi¹zane z oddzia³ywaniem naprê eñ œcinaj¹cych, które by³y efektem uderzenia komety. W wielu przypadkach masywne, kalcytowe, grubokrystaliczne rostra belemnitów, które s¹ wyd³u one wzglêdem jednej p³aszczyzny stanowi³y opór dla fali. Interakcja fali sejsmicznej i rostr, w wielu przypadkach powodowa³a ich czêœciow¹ dezintegracjê, a nastêpnie cementacjê, której intensywnoœæ i stopieñ zmienia³ siê z czasem. Obserwacje BSE pozwoli³y na wyró nienie ró nych struktur tektonicznych, a co wa - niejsze na otworzenie m.in. kierunki ruchów zrzutowych czy przesuwczych w ró - nych p³aszczyznach. mo na wyró niæ dwa zespo³y rys œlizgowych wystêpuj¹cych na rostrach. W wielu przypadkach skamienia³oœci by³y przesuwane wzglêdem otaczaj¹cego osadu (odspojenie) oraz wzglêdem utworzonych fragmentów samych skamienia³oœci. W niektórych przypadkach, zw³aszcza je eli skamienia³oœci by³y ma³e (do kilkunastu milimetrów), ulega³y fragmentacji, drobnemu rozkruszeniu i utworzeniu matrix, który wype³ni³ powsta³e przestrzenie. W póÿniejszym etapie dosz³o rekrystalizacji i utworzeniu cementu. Wiele belemnitów by³o czêœciowo zrotowane, co œwiadczy o sile fali sejsmicznej impaktu. Powy ej przedstawiona charakterystyka belemnitów jurajskich i ich mikrostruktur, pokazuje indywidualizm brekcji tektonicznej powsta³ej podczas impaktu. Pod wzglêdem petrograficznym, taki typ brekcji jest odmienny od np. brekcji uskokowej. Ponadto, brekcje impaktowe, zw³aszcza przytoczony przyk³ad z Nördliger Ries, s¹ doskona³ym poligonem dla mikrotektoników na odtwarzanie pola si³ naprê eñ wywo³anych spadkiem bolidu. Podziękowania Projekt dofinansowany zosta³ ze œrodków projakoœciowych Krajowego Naukowego Oœrodka Wiod¹cego (KNOW) otrzymanych przez Centrum Studiów Polarnych na lata ACTA SOCIETATIS METHEORITICAE POLONORUM vol. 7, 2016

6 26 Wpływ fali uderzeniowej na zmiany tektoniczne osadów jurajskich wokół krateru Ries studium... Literatura Artemieva N., Pierazzo E., Stöffler D., 2002, Numerical modeling of tektite origin in oblique impacts: Implication to Ries-Moldavites strewn field, Bulletin of the Czech Geological Survey, 77, s Beals C.S., Innes M.J.S., Rottenberg J.A., 1963, Fossil meteorite craters, [w:] B.M. Middlehurst, G.P. Kuiper (red.), The Moon, Meteorites, and Comets, University of Chicago, Chicago, s Bolten R., Müller D., 1969, Das Tertiarim Nordlinger Ries und in seiner Umgebung, Geologica Bavarica, 61, s Buchner E., Schmieder M., Schwarz W.H., Trieloff M., 2013, Das Alter des Meteoriten craters Nordlinger Ries eine Übersicht und kurze Diskussion der neueren Datierungen des Ries impacts, Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften, 164, s Dence M.R., 1965, The extraterrestrial origin of Canadian craters, Annals of the New York Academy of Sciences, 123, s Dence M.R., Grieve R.A.F., Robertson P.B., 1977, Terrestrial impact structures: Principal characteristics and energy considerations, [w:] D.J. Roddy, R.O. Pepin, R.B. Merrill (red.), Impact and Explosion Cratering: Planetary and Terrestrial Implications, Pergamon, New York, s French B.M., 1998, Traces of Catastrophe. A Handbook of Shock-Metamorphic Effects in Terrestrial Meteorite Impact Structures, Lunar and Planetary Institute, Boulevard. Graup G., Horn P., Köhler H., Müller-Sohnius D., 1981, Source material for moldavites and bentonites, Naturwissenschaften, 68, s Groschopf P., Reiff W., 1971, Vorlaufige Ergebnisse der Forschungsbohrung 1970 im Steinheimer Becken (Schwabische Alb), Jahresheft. Geolog. Landesamt Baden-Wiirttemberg, Freiburg, 13, s Horn P., Müller-Sohnius D., Köhler H., Graup G., 1985, Rb-Sr systematic of rocks related to the Ries Crater, Germany, Earth and Planetary Science Letters, 75, s Melosh H.J., 1989, Impact cratering A geological process, Oxford University Press, New York. Stöffler D., Artemieva N.A., Pierazzo E., 2002, Modeling the Ries-Steinheim impact event and the formation of the moldavite strewn field, Meteoritics & Planetary Science, 37, s ACTA SOCIETATIS METHEORITICAE POLONORUM vol. 7, 2016